電壓源型直流輸電變流器系統(tǒng)動態(tài)面反步控制

　　摘要： 針對傳統(tǒng)反步控制方法中存在的問題，本文主要對電壓源型直流輸電變流器電網(wǎng)側(cè)變流器系統(tǒng)的有功/無功功率控制問題進行研究。首先引入了反步控制方法，將高階系統(tǒng)處理為3個低階子系統(tǒng)，并針對每個子系統(tǒng)設(shè)計了控制律，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。其次，由于傳統(tǒng)反步控制方法中存在的“計算爆炸”問題，本文通過引入動態(tài)面控制技術(shù)解決。在本文控制方法下設(shè)計的控制器，不需要有功/無功功率高階導(dǎo)數(shù)的信息，且控制器結(jié)構(gòu)簡單。為驗證本文所提出的VSC-HVDC變流器系統(tǒng)的動態(tài)面反步控制方法的有效性，在Matlab/Simulink環(huán)境下進行仿真實驗。仿真結(jié)果表明，在本文控制方法下，系統(tǒng)有功功率和無功功率可以準(zhǔn)確跟蹤其設(shè)定值，而且與傳統(tǒng)反步控制方法相比，在本文提出的控制方法下，電網(wǎng)側(cè)變流器系統(tǒng)具有更好的動態(tài)響應(yīng)，說明本文提出的方法具有調(diào)節(jié)速度快、誤差小的優(yōu)勢。該研究對VSC-HVDC系統(tǒng)的控制具有重要意義。

　　關(guān)鍵詞： 反步控制; 動態(tài)面控制; 高壓直流輸電; 變流器; 功率控制; 控制器設(shè)計

　　隨著當(dāng)代能源需求的不斷增長，海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，相比于傳統(tǒng)的火力發(fā)電，海上風(fēng)力發(fā)電具有發(fā)電過程環(huán)保、不占用陸地資源和轉(zhuǎn)換率高等優(yōu)勢[13]。目前，海上風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)大部分采用電壓源型直流輸電變流器(voltage source converter based high voltage direct current transmission， VSC-HVDC)。Zhang G等人[4]建立并研究了VSC-HVDC系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型，其所提出的控制方法沒有考慮VSC-HVDC系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，因此，研究VSC-HVDC系統(tǒng)動態(tài)模型的控制問題具有重要意義。為了實現(xiàn)更好的控制效果，學(xué)者們將滑模控制技術(shù)[56]、自適應(yīng)控制技術(shù)[78]、反步控制方法[911]和一些其他的控制技術(shù)[1217]應(yīng)用到高階系統(tǒng)的控制研究中。反步控制方法是處理高階系統(tǒng)的有效方法，吳杰等人[12]將反步控制方法應(yīng)用到VSC-HVDC電網(wǎng)側(cè)變流器系統(tǒng)的功率控制中，相比于傳統(tǒng)的雙閉環(huán)矢量控制方法，在反步控制方法下，VSC-HVDC變流器系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度快。然而VSC-HVDC變流器系統(tǒng)反步控制方法存在兩個主要缺點：一是傳統(tǒng)反步控制方法的控制器設(shè)計過程需要對控制律進行反復(fù)求導(dǎo)，從而產(chǎn)生“計算爆炸”的問題;二是在傳統(tǒng)反步控制方法在處理高階系統(tǒng)時，控制器設(shè)計過程中需要功率信號的高階導(dǎo)數(shù)信息[12]，上述問題導(dǎo)致傳統(tǒng)反步控制方法在實際工程中的應(yīng)用范圍受到限制。基于此，本文提出了一種VSC-HVDC變流器系統(tǒng)動態(tài)面反步控制方法，將基于動態(tài)面技術(shù)的反步控制方法應(yīng)用到VSC-HVDC變流器系統(tǒng)的控制中，通過引入動態(tài)面控制方法[1820]，解決了傳統(tǒng)反步控制方法中存在的兩個主要缺點。本文提出的控制方法可保證VSC-HVDC變流器系統(tǒng)的功率控制誤差收斂到一個足夠小的鄰域內(nèi)。

　　1 VSC-HVDC系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

　　式中，ucd為三相濾波電容電壓d軸分量;ucq為三相濾波電容電壓q軸分量;ud為變流器交流側(cè)電壓d軸分量;uq為變流器交流側(cè)電壓q軸分量;i1d為變流器交流側(cè)電流d軸分量;i1q為變流器交流側(cè)電流q軸分量;i2d為電網(wǎng)側(cè)三相電流d軸分量;i2q為電網(wǎng)側(cè)三相電流q軸分量;L1和L2為濾波電抗;R1和R2為濾波電抗等效電阻;C2為濾波電容;ω為電網(wǎng)角頻率;Esd為電網(wǎng)電壓d軸分量。VSC-HVDC系統(tǒng)原理圖如圖1所示，系統(tǒng)中有兩個結(jié)構(gòu)相同的換流站，本文以圖1中交流電網(wǎng)2側(cè)的變流器為研究對象，功率環(huán)采用PI調(diào)節(jié)方式，電流環(huán)采用動態(tài)面反步法控制方法。

　　2VSC-HVDC變流器動態(tài)面反步控制器設(shè)計

　　根據(jù)反步法原理，定義如下誤差變量為

　　z1=x1-x1d， z2=x2-x2d， z3=x3-α3d， z4=x4-α4d， z5=x5-α5d， z6=x6-α6d(3)

　　其中，x1d是x1的給定值;x2d是x2的給定值。x1d和x2d分別由有功/無功功率PI調(diào)節(jié)器獲得。

　　第1步選取Lyapunov函數(shù)V1=z21/2+z22/2，求導(dǎo)后可得

　　1=z11+z22=z1(1-1d)+z2(2-2d)=

　　z1(-b2x1-α3d-α3L2-z3L2-α3L2+ωx2+T1-1d)+z2(-b2x2-α4d-α4L2-z4L2-α4L2+ωx1-2d)(4)

　　本文中電網(wǎng)電壓d軸分量是一個有界值，由T1的定義可知，T1是一個有界的值，且滿足T1≤d。由楊氏不等式可得

　　z1T1≤12ε21z21+12ε21d2(5)

　　其中，ε1是一個任意小的正數(shù)。引入新的狀態(tài)變量α3d和α4d，使α3和α4分別通過時間常數(shù)為ε3和ε4的動態(tài)面濾波器，即

　　ε33d+α3d=α3， α3d(0)=α3(0)

　　ε44d+α4d=α4， α4d(0)=α4(0)(6)

　　其中，α3d和α4d是濾波器的輸出信號。將式(5)代入式(4)可得

　　1≤z1(-b2x1-α3d-α3L2-z3L2-α3L2+ωx2-1d+12ε21z1)+

　　z2(-b2x2-α4d-α4L2-z4L2-α4L2+ωx1-2d)+12ε21d2(7)

　　構(gòu)造虛擬控制律α3和α4，即

　　α3=L2(k1z1-b2x1+ωx2-1d)

　　α4=L2(k2z2-b2x2-ωx1-2d)(8)

　　其中，k1=+12ε21，>0，k2>0。將式(8)代入式(7)可得

　　1≤-k1z21-k2z22-z1(α3d-α3)L2-z2(α4d-α4)L2-z1z3L2-z2z4L2+12ε21d2(9)

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